Kaiserslautern - Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
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Diese Schrift behandelt Spezialanwendungen von Schleifscheiben. Darunter fallen Anwendungen herkömmlicher Schleifscheiben für Spezialanwendungen, die über den üblichen Materialabtrag hinausgehen und auch die Entwicklung von Spezialschleifscheiben. Die Spezialanwendungen werden jeweils vorgestellt, die erzielten Ergebnisse diskutiert und kritisch reflektiert. Vor- und Nachteile sowie eventuelle Hemmnisse für die Erreichung einer Serien-reife werden beleuchtet. Nach der technologischen Bewertung erfolgt eine Betrachtung der Nachhaltigkeit der Spezialanwendungen, um eine abschließende Beurteilung zu ermöglichen, welche Konzepte sowohl technologisch also auch ökologisch und ökonomisch sinnvoll erscheinen und welche nicht. Hintergrund dieser Überlegungen ist die Tatsache, dass ein Spezialverfahren technologisch noch so interessant oder fähig sein mag, so lange es keine Vorteile für den Einsatz der Produkte oder eine Steigerung der Nachhaltigkeit der Produkte mit sich bringt, ist die Verfolgung des Spezialverfahrens nicht zu empfehlen. Daraus ergeben sich Empfehlungen für die Forschung und die Industrie zur Verfolgung bestimmter Spezialanwendungen.
Bei der Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) kommen unterschiedlichste Faser-, Kunststoff- sowie Faser/Kunststoff-Halbzeuge zum Einsatz. Diese weisen oft sehr komplexe Verarbeitungseigenschaften auf, die bei der Prozessentwicklung eine besondere Herausforderung darstellen. Ein typisches Beispiel ist die Verfahrensgruppe der Flüssigimprägnierverfahren, bei denen eine endkonturnahe Faserstruktur mit einem Harzsystem imprägniert wird. Eine den Prozessverlauf maßgeblich bestimmende Verarbeitungseigenschaft der Faserstruktur ist hierbei die Permeabilität. Sie quantifiziert die Durchlässigkeit der Faserstruktur für die fluide Strömung und resultiert aus einer Vielzahl an interdependenten Einflüssen, wie z. B. einer inhomogenen Porosität mit extrem variierenden Fließkanaldurchmessern, lokalen Strukturvariationen, einer hohen Deformierbarkeit sowie Kapillarkräften.
Wissensgenerierung durch Grundlagenforschung zu einer einzelnen prozesskritischen Verarbeitungseigenschaft (wie der Permeabilität), stellt eine ideale Grundlage für die ganzheitliche, also sowohl die Prozess- und Anlagentechnik als auch die Materialien umfassende, Prozessentwicklung der jeweils betrachteten Verfahren/Verfahrensgruppe (z. B. Flüssigimprägnierverfahren) dar. Vor diesem Hintergrund wird in der vorliegenden Arbeit eine mehrstufige, in sich geschlossene Forschungsmethodik definiert, die zur kontinuierlichen Weiterentwicklung des betrachteten Herstell-verfahrens sowie der eingesetzten Anlagen, Werkzeuge und Materialien geeignet ist. Anhand von Forschungsarbeiten zum Anwendungsbeispiel der Flüssigimprägnierverfahren bzw. der Permeabilität wird gezeigt, wie die Methodik umgesetzt werden kann: Der erste Schritt besteht in der Entwicklung von Methoden und Technologien, um Einflüsse auf die Permeabilität reproduzierbar zu erzeugen und die Auswirkungen untersuchen zu können. Anschließend folgen Parameterstudien zu Einflüssen auf die Permeabilität und die gewonnenen Erkenntnisse werden dann zu Richtlinien aggregiert. Anhand der Richtlinien können Materialien, Prozesse und Messtechnologien auf einen Anwendungsfall hin optimiert werden. Schließlich, werden über den Erkenntnisgewinn grundlegend neue Technologien entwickelt, woraus sich wiederum neue Aufgaben für die erste Stufe der Methodik ergeben.
The subject of this thesis is the design of axial flow machines. The type of turbomachine under examination is used to supply energy for high viscous fluid flow, as used in mixing and stirring tasks. The high viscous media treated in these tasks usually have non-Newtonian fluid properties. This kind of fluid flow is frequently associated with the field of energy and process engineering.
In order to narrow down the problem described, the field of turbomachinery is restricted to the consideration of propellers. Propellers are used in a wide range of fluid mechanics tasks. In the form of wind turbines, propellers extract kinetic energy from a control room and thereby slow down the flow. Propeller stirrers, on the other hand, increase the energy level of a flow and accelerate it. Both machines are based on the same principle - only the direction of the energy flow is to be considered as the opposite direction.
The design of new agitators is usually based on experience. Often, agitators are, therefore, not flow-optimised, and cannot be optimally operated. In this thesis, it is investigated whether the design processes of modern wind turbines, which are considered to be mature, can be adapted in order to generate a flow-optimised geometry for this type of turbomachine as well.
This thesis will first examine the basics of wind turbine design processes. Special attention will be paid to the differences caused by the viscous fluid properties under consideration. The highly viscous behaviour of the fluids under consideration means that the theoretical fundamentals have to be extended as a result. Such extensions are identified and supplement the theoretical basis. The thesis will then present and examine an analytically based design process for flow-optimised propeller mixers. The procedure is based on blade element momentum theory.
Application of blade element momentum theory requires detailed knowledge of the aerodynamic behaviour of the profiles used. This behaviour is usually only known for low viscosity and high-Re applications, as is usually the case for wind turbines or propeller engines. Comprehensive profile characteristics are not available for highly viscous and low-Re applications. In this thesis, these basics are generated using numerical methods.
In the next step, the newly introduced design method is combined with the results of the investigations of profile aerodynamics for high viscous low-Re fluid flow. This combination is done using a calculation process which produces the flow-optimised geometry of a propeller mixer. The theoretical principles of the methods are implemented in an algorithm in such a way that the resultant turbomachine can be designed for a previously selected operating point, the design point. In contrast to classical turbomachinery, the design point additionally requires the specification of viscous fluid properties.
However, in practical use, the final selected operating point of a turbomachine is often not the design point. The algorithm is examined for its suitability for inverse power calculation as well in order to compute the complete characteristic curve for a previously generated propeller mixer already in the design process.
Sicherheitstechnik ist eine sehr breit gefächerte Querschnittsdisziplin mit der Aufgabe
Mensch und Umwelt vor den Gefahren von Maschinen, Prozessen und technischen
Anlagen zu schützen. Während im 19ten Jahrhundert Anlagen durch Erfahrungswissen
sicher gestaltet worden sind, ist in der Sicherheitstechnik heute eine sehr
systematische Analyse von Gefahren und Risiken üblich. Dazu ist eine spezielle
Denkweise im Umgang mit stochastischen Prozessen und Unsicherheiten bei der
Modellierung hilfreich, die der Verfahrenstechniker oder Chemieingenieur ebenso
wenig im Studium erlernt wie ein Maschinenbauer oder Chemiker.
Die Sicherheitstechnik selbst und ihre Sicherheitskonzepte sind über lange Zeiträume
entstanden, beginnen mit Grundlagenforschungen, die anwendungsorientiert zu
speziellen sicherheitstechnischen Apparaten oder Modellen geführt haben. Diese
Apparate und Modelle sind anschließend eingebunden worden in Sicherheitskonzepte
für spezielle Anlagen wie Chemiereaktoren oder Gashochdruckleitungen.
In der vorliegenden Arbeit ist die Breite der Sicherheitstechnik und ihre Entwicklung an
sehr unterschiedlichen Beispielen verdeutlicht worden. Grundlegende Erkenntnisse
aus der Zweiphasenströmung führen zu Modellen wie der Auslegung von klassischen
Notentlastungsleitungen oder zur Entwicklung von Rückhalteeinrichtungen. Diese sind
Bestandteil von sehr unterschiedlichen Anlagensicherheitskonzepten bei Wärmeübertragern,
in der Hochdrucktechnik oder bei Multipurpose-Anlagen. Die Forschung zu
Grundlagen der Zweiphasenströmung führt auch zu neuen Sicherheitskonzepten für
Gashochdruckleitungen.
Am Beispiel von sicherheitsrelevanten Armaturen ist die langjährige Entwicklung von
Modellen zur Bemessung dieser Bauteile aufgezeigt worden. Ausgehend von einem
einfachen Düsenmodell wurden immer mehr Parameter berücksichtigt, um nicht nur
sicherheitsrelevante Ventile und Berstscheiben auszulegen, sondern auch Klappen,
Blenden, Stellventile und andere Armaturen. Durch eine hinreichende Validierung der
Modelle entstehen aus der Forschung neue Erkenntnisse für eine signifikante
Weiterentwicklung des Stands der Sicherheitstechnik.
Die geometrische Produktspezifikation steht - wie viele andere Industriezweige - vor einschneidenden Veränderungen. Durch Digitalisierung und Automatisierung ändern sich viele industrielle Rahmenbedingungen. Ziel dieser Arbeit ist es, die derzeitigen Trends für die industrielle Rauheitsmesstechnik systematisch zusammenzutragen. Basierend auf diesen Veränderungen werden korrespondierende eigene Forschungsarbeiten vorgestellt, welche an die gezogenen Schlussfolgerungen anknüpfen. Dabei wird ein ganzheitlicher Ansatz zur Betrachtung technischer Oberflächen gewählt, welcher zunächst die fertigungstechnische Erzeugung deterministischer Rauheitsstrukturen analysiert. Anschließend werden die Beschreibung der resultierenden Topographiemerkmale mittels mathematischer Modelle und deren messtechnische Erfassung durch typische Topographie-Messgeräte untersucht. Weiterhin wird die hierauf aufbauende Charakterisierung der Oberfläche thematisiert, welche durch die Anwendung der Operationen Einpassung, Interpolation, Filterung und Berechnung von Rauheitskenngrößen gekennzeichnet ist.
Im Rahmen fertigungstechnischer Betrachtungen werden dabei neue Technologien für die Herstellung flächenhafter Kalibriernormale untersucht, welche stellvertretend für deterministische Rauheitsstrukturen dienen, die immer weitere industrielle Verbreitung finden, um funktionelle Bauteileigenschaften mithilfe der Oberflächenbeschaffenheit abzubilden. Als Fertigungsverfahren werden dabei das direkte Laserschreiben sowie das Mikrofräsen betrachtet.
Für die eigentliche Betrachtung dieser Oberflächen werden dabei Ansätze zur Modellierung von Rauheitseigenschaften untersucht, welche auf Methoden aus der Zeitreihenmodellierung basieren.
Die messtechnische Erfassung von Rauheitsstrukturen ist anschließend Gegenstand der Analyse des Übertragungsverhaltens. Dabei werden hier ebenfalls Modelle genutzt, um die Übertragung von Oberflächeneigenschaften durch technische Rauheitsmessgeräte zu modellieren.
Letzte Betrachtungen werden zur Auswertung von Rauheitskenngrößen angestellt. Dabei werden insbesondere die funktionsorientierten Rauheitskenngrößen untersucht, welche aufgrund der zunehmenden Komplexität technischer rauer Oberflächen verstärkt an Bedeutung gewinnen.
Die moderne Reaktions- und Trenntechnik in der chemischen Industrie ist eine Hochtechnologie. Die dort eingesetzten Verfahren zur Reaktionsführung und Auftrennung der Produkte sind weitestgehend optimiert. Zu diesem Stand hat die instrumentelle Analytik – speziell die Prozeßanalytik – wesentlich beigetragen. Das Reaktions- und Prozeßmonitoring ist eine wichtige Hilfe zum Verständnis der komplexen Zusammenhänge. In der vorliegenden Arbeit wird der Einsatz der NMR-Spektroskopie in verfahrenstechnischen Anwendungen wie dem Reaktions- und Prozeß-Monitoring diskutiert und alle dazu notwendigen Grundlagen erläutert. Solche Anwendungen erfordern häufig Techniken, mit denen hochaufgelöste Spektren zerstörungsfrei aufgenommen werden können, oft bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur. Neben der quantitativen Bestimmung der Zusammensetzung komplexer reagierender Mischungen besteht gleichzeitig die Möglichkeit zur Identifikation von Nebenprodukten. Dieses gelingt insbesondere durch die Nutzung der NMR-Spektroskopie als Online-Methode, die in der Literatur bislang nur in wenigen Einzelfällen beschrieben und trotz ihrer enormen Möglichkeiten noch nicht konsequent angewendet wird. Durch die fortschreitende Entwicklung auf dem Gebiet der NMR-Spektroskopie kann eine Online-Anbindung heute durchgehend mit Hilfe kommerziell erhältlicher Komponenten erfolgen – wie die vorliegende Arbeit zeigt. Fallende Kosten in der Beschaffung und dem Betrieb leistungsfähiger NMR-Spektrometer machen die Methode auch im verfahrenstechnischen Umfeld mittlerweile sehr attraktiv. Die Attraktivität der Methode gewinnt neuerdings insbesondere durch die erweiterten Einsatzmöglichkeiten kompakterer NMR-Magneten mit geringen Streufeldern. Obwohl sich in den Ingenieurwissenschaften damit vielfältige Einsatzmöglichkeiten ergeben, wird die NMR-Spektroskopie dort bislang noch leider kaum genutzt. Besondere Herausforderungen stellen sich u. a. dadurch, daß sich weder deuterierten Komponenten einsetzen lassen noch die Probe in einer geeigneten Weise in einer Probenvorbereitung verändert werden kann. Damit kommen hochkonzentrierte Mischungen zur direkten Untersuchung. Dieses hat signifikante Rückwirkungen auf die einzusetzende NMR-Methodik, die im Rahmen der Arbeit umfassend untersucht wurde. In der Regel lassen sich die Probleme bei entsprechender experimenteller Vorgehensweise umgehen. Zur Garantie quantitativer Meßwerte wurden alle eingesetzten Meß- und Auswertungsstrategien ausführlich untersucht und teilweise erweitert. Um quantitativ aussagekräftige Online-NMR-Spektren mit Hilfe der 1H- und 13C-NMRSpektroskopie von technischen Mischungen zu erhalten, wurden folgende Aufgaben gelöst: Entwicklung und Validierung von Vorgehensweisen zur Messung hochkonzentrierter, technischer Mischungen ohne Probenvorbereitung und ohne Zusatz deuterierter Komponenten; Konstruktion geeigneter Apparaturen zur Untersuchung von Reaktionsgleichgewichten und -kinetiken für verschiedene Druck- und Temperaturbereiche, die sich optimal für die Online-NMR-Spektroskopie einsetzen lassen; Ankopplung der NMR-Spektrometers an die unterschiedlichen Apparate mit Hilfe von NMR-Durchflußzellen; Schaffung einer möglichst noninvasiven Untersuchungsmethode hinsichtlich aller Probenparameter (z. B. Druck, Temperatur); Schaffung und Erprobung von Meß- und Auswertungsstrategien im Hinblick auf quantitative Parameter, Erweiterung des zugänglichen Druck- und Temperaturbereiches der Messungen sowie Verkürzung des Zeitfensters für Messungen durch geeignete Peripherie und konstruktiven Veränderungen am NMR-Probenkopf. Als Beispiel werden Messungen an binären und ternären flüssigen Mischungen aus Formaldehyd, Wasser und Methanol diskutiert. In diesen Systemen ist Formaldehyd fast ausschließlich in Poly(oxymethylen)Glykolen und -hemiformalen chemisch gebunden. Die chemischen Reaktionen in formaldehydhaltigen Mischungen bestimmen deren thermodynamisches Verhalten sowie ihre Trennung mit thermischen Verfahren. Die NMR-Spektroskopie ist das zentrale analytische Verfahren, mit dem sich diese Vorgänge aufklären und quantifizieren lassen. Für die hier vorgestellten Untersuchungen zum Prozeßmonitoring kamen u. a. eine Online-NMRKopplung mit einem Dünnschichtverdampfer sowie mit einem Rührreaktor zum Einsatz. In weiteren Anwendungsbeispielen zum Thema Formaldehyd wird aufgezeigt, daß sich die Online-NMR-Spektroskopie auch zum Studium komplexer Reaktionsnetzwerke, zur Messung von Gaslöslichkeiten oder zur Quantifizierung kleinster Produktmengen unter schwierigen, technischen Reaktionsbedingungen eignet. Ferner werden Arbeiten zur Aufklärung und Quantifizierung der chemischen Prozesse bei der Absorption von Kohlendioxid in wässrigen Aminlösungen bei Drücken bis zu 30 bar und reaktionskinetische Untersuchungen von Veresterungen vorgestellt, bei denen auch ein Vergleich mit einer GC-Analytik durchgeführt wurde. Ebenso wird gezeigt, daß sich die Online-NMR-Spektroskopie zur Beobachtung von Reaktionen in Ionischen Flüssigkeiten eignet. Ein Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung fluider Mischungen bei hohen Drücken. Beispielhaft werden Arbeiten zu H-Brückengleichgewichten von Methanol in überkritischem Kohlendioxid vorgestellt, die eine wertvolle, experimentelle Datenbasis zur Überprüfung molekulardynamischer Modelle in der molekularen Simulation liefern. Für die meisten Anwendungsbeispiele werden neue Reaktoren und Meßapparaturen vorgestellt, die sich besonders für den Einsatz in der Durchfluß-NMR-Spektroskopie eignen. Schließlich wird kurz auf die Anwendung der NMR-Spektroskopie zur Bestimmung physikalisch chemischer Größen eingegangen, wie z. B. zur Bestimmung von Diffusuionskoeffizienten in technischen Mischungen. Erstmals wird der Einsatz der Methode in der Taylor-Dispersionstechnik beschrieben und experimentell belegt.
The primary objective of this work is the development of robust, accurate and efficient simulation methods for the optimal control of mechanical systems, in particular of constrained mechanical systems as they appear in the context of multibody dynamics. The focus is on the development of new numerical methods that meet the demand of structure preservation, i.e. the approximate numerical solution inherits certain characteristic properties from the real dynamical process.
This task includes three main challenges. First of all, a kinematic description of multibody systems is required that treats rigid bodies and spatially discretised elastic structures in a uniform way and takes their interconnection by joints into account. This kinematic description must not be subject to singularities when the system performs large nonlinear dynamics. Here, a holonomically constrained formulation that completely circumvents the use of rotational parameters has proved to perform very well. The arising constrained equations of motion are suitable for an easy temporal discretisation in a structure preserving way. In the temporal discrete setting, the equations can be reduced to minimal dimension by elimination of the constraint forces. Structure preserving integration is the second important ingredient. Computational methods that are designed to inherit system specific characteristics – like consistency in energy, momentum maps or symplecticity – often show superior numerical performance regarding stability and accuracy compared to standard methods. In addition to that, they provide a more meaningful picture of the behaviour of the systems they approximate. The third step is to take the previ- ously addressed points into the context of optimal control, where differential equation and inequality constrained optimisation problems with boundary values arise. To obtain meaningful results from optimal control simulations, wherein energy expenditure or the control effort of a motion are often part of the optimisation goal, it is crucial to approxi- mate the underlying dynamics in a structure preserving way, i.e. in a way that does not numerically, thus artificially, dissipate energy and in which momentum maps change only and exactly according to the applied loads.
The excellent numerical performance of the newly developed simulation method for optimal control problems is demonstrated by various examples dealing with robotic systems and a biomotion problem. Furthermore, the method is extended to uncertain systems where the goal is to minimise a probability of failure upper bound and to problems with contacts arising for example in bipedal walking.
The main goal of this work is to examine various aspects of `inelastic continuum mechanics': first, fundamental aspects of a general finite deformation theory based on a multiplicative decomposition of the deformation gradient with special emphasis on the incompatibility of the so-called intermediate configuration are discussed in detail. Moreover, various balance of linear momentum representations together with the corresponding volume forces are derived in a configurational mechanics context. Subsequent chapters are consequently based on these elaborations so that the applied multiplicative decomposition generally serves as a fundamental modelling concept in this work; after generalised strain measures are introduced, a kinematic hardening model coupled with anisotropic damage, a substructure evolution framework as well as two different growth and remodelling formulations for biological tissues are presented.
A general framework for the thermodynamics of open systems is developed in the spatial and the material setting. Special emphasis is placed on the balance of mass which is enhanced by additional source and flux terms. Different solution strategies within the finite element technique are derived and compared. A number of numerical examples illustrates the features of the proposed approach.